CMOS多通道荧光分析阵列传感芯片的设计与研究

This research presents a monolithic integrated CMOS microarray sensor with optical sensing array,CTIA-based in pixel amplication circuits, asynchronous sequence circuits, CDS self-correcting circuits, differential amplifing circucits and CMOS extend SU-8 micro-reaction tank process, for fluorescence detection. A new diode structure of double PN junction in parallel is used,it can be operated as a potodiode with low leakage current and broad spectrum response,also,a CTIA active pixel circuit with high sensitivity for weak fluorescence is designed,the CTIA acctive pixel circuit possesses higher sensitivity and better linearity than 3T active pixel circuit. The thick SU-8 photoresist process is used to form two micro-active tanks, in each tank,it includes four-channel CTIA active pixel array, with asynchronous sequential logic circuits and multi-channel sequencing output control circuits,we can get the fluorescence intensty signal voltage during the flourescence decay process. The CDS self-correcting and differential amplification circuits can elimiate the background noise and fixed pattern noise during fluorescence detection, and improve the testing accuracy.This project realises filterless contacting fluorescence detection based on pulsed laser and asynchronous sequential control circuits. The innovation of this project is the research of the new structure and device mechanism for fluorescence detection sensing array, the integrated weak optical current transforming circuits and the monilithically integrated system. The sensor can be used in biomedicine,food security and monitoring of environment.

本项目研究CMOS单片集成的荧光分析阵列传感器，片上集成了光电传感阵列、CTIA有源像素放大电路、异步时序控制电路、CDS自校正电路、差分放大电路和工艺延伸SU-8微反应池。光敏传感二极管采用低漏电流、宽光谱响应的双结深PN结并联新结构，并设计了对微弱荧光有高灵敏度的CTIA有源像素读出电路，它比3T像素电路具有更高的灵敏度和更好的线性度。采用厚SU-8胶工艺形成了两路片上微反应池，每个池中设计了四通道CTIA有源像素阵列，采用异步数字时序和分时多路输出控制读取四通道荧光衰减过程中各时序的荧光强度信号电压。设计的CDS自校正和差分放大电路可消除荧光测试时背景噪声和电路固定模式噪声的影响，提高测试的精度。本项目采用脉冲激光和异步时序控制实现了无滤光片直接式荧光检测。本项目在荧光分析阵列传感器的器件新结构、微弱光电流转换和传感系统单片集成方面有创新之处。可应用于生物医学、食品安全和环境监测。

基于CMOS工艺的直接式荧光检测芯片实现了荧光检测的微型化。并有利于多功能化，是一个研究热点。本项目将荧光检测与微电子集成技术相结合，研究基于CMOS工艺的荧光传感单元和信号处理电路兼容技术，采用高性能的优化器件结构和有源像素结构来提高现有荧光检测芯片的性能指标。. 1.基于CSMC 0.5μm 工艺建立了P+/Nwell，Nwell/Psub以及P+/Nwell/Psub双结并联结构光电二极管的光电响应模型， matlab仿真了其电灵敏度。 峰值灵敏度分别为0.5A/W@420nm、0.34A/W@510nm、0.59A/W@440nm。采用双结P+/Nwell/Psub光电二极管结构提高了光敏传感单元的灵敏度。. 2. 版图优化减少双结光电管的暗电流， (1)将光电二极管版图正四边形的四角设计成钝角形状，减少局部电场较大引起的暗电流；(2)在P+与N-well版图层次间增加一个多晶硅环，减少场氧化层边缘由于应力作用造成的缺陷引入的暗电流，提高了光电流的收集效率。 对面积为100μm×100μm的传感单元进行了测试。P+/N-well光电管的平均暗电流为13pA，版图优化前P+/N-well/P-sub光电管的平均暗电流为11pA，版图优化后P+/N-well/P-sub光电管的平均暗电流为6.5pA，通过版图优化有效的减少了暗电流。在微弱光条件下（10lux），三种光电二极管的平均光电流为1.55nA、2.15nA和2.05nA。版图优化后光灵敏度有所降低，但是光暗电流比值提高了60%，更适合微弱的荧光信号检测。. 3.设计了CTIA有源像素电路提高光电转化灵敏度。CTIA有源像素电路通过集成的小电容可以大大提高光电转换灵敏度，同时CTIA有源像素电路可以通过反馈环路为光电二极管提供低的反偏电压来降低暗电流，并具有更好的线性度。测试时钟工作频率为100KHz，积分时间为310us，CTIA有源像素最大输出电压范围为4.2V，3T有源像素最大输出电压范围为1.7V，3T像素结构的灵敏度为42V/lux.S，而CTIA像素结构的灵敏度为2243V/lus.S。验证了设计的CTIA有源像素结构在微弱光条件下高灵敏度的特性。. 本项目在荧光分析阵列传感器的器件新结构，微弱光电流转换集成和传感系统单片集成方面的研究可应用与生物、医学、环境等学科中。